一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种侧向预测校正制导方法，尤其设及一种火星大气进入段侧向预测 校正制导方法，属于深空探测技术领域。
【背景技术】
[0002] 在未来火星着陆探测任务对实现火星表面的着陆精度提出了更高的要求。而火星 大气进入段是整个火星进入、下降与着陆过程中历时最久，环境最恶劣的一个阶段，保证进 入段任务的成功实施，是对于保证最终着陆的精度起着至关重要的作用。
[0003] 到目前为止，共有7颗火星探测器成功着陆火星表面。最近一次着陆探测任务"火 星科学实验室/好奇号"任务中，首次在进入段采用了制导律，并在预定的开伞区域内实现 安全开伞。运表明随着人类火星探测的深入开展，在未来火星着陆探测任务中，尤其是诸如 载人火星探测、采样返回等任务对着陆精度要求的提高，采用相应的进入制导律成为一种 趋势。在火星大气进入段实施相应的制导方法，是保证进入段末端精度的重要手段。
[0004] 目前所研究的火星大气进入段制导方法主要可分为标称轨迹法和预测校正制导 法。其中，标称轨迹法通过离线或在线规划出一条能够满足着陆精度的标称轨迹，并由相应 的轨迹跟踪律来跟踪该标称轨迹，W消除进入点偏差W及进入过程中各种干扰或不确定因 素造成的偏差，从而保证开伞的位置精度。而预测校正制导法则是根据当前状态，在线预测 落点偏差，根据落点偏差产生相应的制导指令，W修正各种因素造成的落点偏差，进而保证 开伞精度。当前预测校正制导方法主要针对纵向航程设计相应的预测校正制导律，而侧向 运动是通过相应的航向角误差走廊或者侧向航程误差走廊加W约束，当航向角或者侧向航 程超出该走廊时，倾侧角产生反转，进而保证侧向运动的末端位置精度。而未来火星探测任 务对进入轨迹的侧向运动部分提出了新的要求，例如倾侧角反转过于频繁会导致燃料的过 多消耗，进而增加任务失败的几率；未来火星大气进入段无线电信标的布置，探测器飞越特 定区域能够显著提高导航系统的可观测度，进而提高导航精度。对于运些需求，传统的通过 规划误差走廊来约束侧向运动的方式缺少在规划侧向运动方面的灵活性。 阳〇化]为了满足未来火星探测任务对进入段侧向运动的需求，有必要针对火星大气进入 段探测器的侧向运动，设计一种相应的预测校正制导律，W保证开伞点位置精度的同时，能 够根据任务需要对进入轨迹的侧向运动进行灵活规划。
【发明内容】
[0006] 本发明公开的一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法所解决的技术问题是， 实现在保证开伞点位置精度的同时，能够根据任务需要对进入轨迹的侧向运动进行灵活规 划。
[0007] 本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
[0008] 本发明公开的一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法，包括如下步骤：
[0009] 在已有纵向预测校正制导方法的基础上，将预测校正方法引入探测器侧向运动的 制导律设计中。在每个制导周期内：首先，确定着陆探测任务所需的探测器的侧向运动的约 束条件，W确定探测器在进入段所需倾侧角反转的次数；然后，利用数值方法求解侧向运动 的约束条件，确定探测器倾侧角反转时刻的能量，在探测器的能量超过倾侧角反转时刻的 能量时，进行倾侧角反转。在达到该约束条件后，开始进行下一次倾侧角反转能量的确定； 最后，结合倾侧角反转时刻的能量W及纵向制导律确定当前制导周期最终的制导输出。进 而实现在保证开伞点位置精度的同时，能够根据任务需要对进入轨迹的侧向运动进行灵活 规划。
[0010] 本发明公开的一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法，包括如下步骤：
[0011] 步骤1、确定纵向运动制导指令I0I。
[0012] 利用探测器动力学模型进行数值积分至满足开伞条件，得到开伞时刻的开伞剩余 纵程与目标位置的开伞精度偏差Sf。所述的开伞条件指探测器动压在区间内和 探测器马赫数在区间[Mamm，MamJ内。具体实现方法为：
[0013] 考虑火星自转影响的探测器对无量纲时间 的S自由度无量纲进入 动力学模型为
[0015] 其中，S为剩余纵程，表征从探测器当前位置到目标开伞位置的火星表面大圆弧的 距离，r为火星质屯、到探测器质屯、的距离，无量纲参数为火星半径R。，V探测器相对于火星 的速度，无量纲参数为V,.二其中g。为火星表面重力加速度，丫为航迹角，0为倾 侧角，g为当地重力加速度，无量纲参数为g。。D和L分别阻力加速度和升力加速度
[0017]其无量纲参数均为g。，〔。和C^分别为阻力系数和升力系数，S为探测器参考面积，m为探测器质量，q=pv2/2为动压，P=m/SCD为探测器弹道系数，L/D为探测器升阻比。 火星大气密度采用指数模型
[0019] 其中P。为参考密度，h。为参考高度，hg为大气密度标高。
[0020] 定义进入段飞行器的比能量 CN 1051巧512 A 说明书 3/9页
[0022] 定义火星大气进入段的侧向航程
[0023] X=R。sin1(sinStDg。sinA1]〇 (5)
[0024] 其中，A 为航向角偏差，Stw。为剩余航程，由式（6)给出
[00巧]St〇g〇= R。cos1[sintsin+COS tcoscos(目t_目）] 巧）
[0026] 纵向运动的动力学由公式（7)进行描述
阳02引给出倾侧角剖面参数化形式
[0030] 其中，。巧开伞时刻的倾侧角；e，e。和e汾别为当前时刻、初始时刻W及开伞时 刻的能量。0。〉〇为进入时刻的倾侧角，通过数值求解非线性方程（9)求取曰。。
[0032] 再利用式（8)产生每一步的纵向制导指令I0I，从而使探测器满足开伞点的位置 精度。
[0033] 步骤2、确定侧向运动的约束条件及相应倾侧角反转次数ifw。
[0034] 侧向运动的约束条件为方程组（10) 阳 03 引 x(eta"e"v) =x* (10)
[0036] 其中，向量x%对应能量为向量Gt。拥，侧向航程的取值；向量Gfw为倾侧角反转 时刻的能量向量，所述的向量是侧向预测校正制导的待求参量。方程组（10)的分量形 式为
阳03引倾侧角反转次数为irev=dim(erJ=dim(X)时，方程组（10)有唯一解。侧向运 动的相应约束条件由方程组（10)给定。
[0039] 步骤3、求解约束条件求得倾侧角反转时刻的能量e_。
[0040] 在求解方程组（10)的过程中，方程组（10)各个分量方程式（11)相互独立，能够 分别独立求解。方程组（10)构成关于能量向量的非线性方程。通过采用数值方法对 约束条件方程组（10)进行迭代求解，求得倾侧角反转时刻的能量
[0041] 步骤4、求解出侧向制导指令Sign(0k(e))。
[0042] 在探测器进入过程中，每当能量e依次超过制导律所求解出的能量向量勺各 个分量时，倾侧角0便反转一次。数学表达式为式（12)
|；〇〇44]其中，si即（00(e)) =-si即（X0)。
[0045] 步骤5、求解出第k次制导的制导指令输出。
[0046] 第k次制导的制导指令输出由第k次纵向制导指令I0WI及第k次侧向制导指 令sign(0W)得到
[0048] 步骤6、重复步骤1-5实时更新制导指令，直至探测器的动压和马赫数满足相应的 开伞条件，火星大气进入段制导过程结束。 W例有益效果：
[0050] 本发明公开的一种火星大气进入段侧向预测校正制导方法，首次将预测校正的方 法引入火星大气进入段侧向运动的制导律设计中，该制导方法根据任务需要，确定侧向运 动所需满足的约束条件，进而确定倾侧角反转次数，实现在保证开伞点位置精度的同时，能 够根据任务需要对进入轨迹的侧向运动进行灵活规划。
【附图说明】
[0051] 图1为侧向预测校正制导指令生成流程图；
[0052] 图2为倾侧角反转示意；
[0053] 图3给出了基础算例和实施例1的轨迹